Lumen (lm) – Unité SI du Flux Lumineux

Comprendre le Lumen

Le lumen (symbole : lm) est l’unité dérivée du Système international d’unités (SI) pour le flux lumineux, une grandeur fondamentale en photométrie. Le flux lumineux représente la quantité totale de lumière visible émise par une source par unité de temps, telle que perçue par l’œil humain. Contrairement à la puissance radiométrique (watts), qui quantifie toute l’énergie électromagnétique, les lumens ne comptabilisent que la part du rayonnement efficace pour stimuler la vision humaine. Cette approche photométrique est centrale dans l’ingénierie de l’éclairage, l’architecture, l’étiquetage des produits et les normes réglementaires, offrant une métrique universelle pour comparer la luminosité des lampes, luminaires et LED.

Selon la définition du SI, un lumen est le flux lumineux émis dans un angle solide d’un stéradian par une source ponctuelle d’intensité lumineuse d’une candela :

[ 1 \ \mathrm{lm} = 1 \ \mathrm{cd} \times 1 \ \mathrm{sr} ]

La candela (cd) est l’unité de base du SI pour l’intensité lumineuse (dans une direction spécifique), tandis que le stéradian (sr) mesure l’angle solide. Leur produit, le lumen, quantifie la sortie lumineuse totale d’une source dans toutes les directions.

Flux lumineux et perception humaine

Le flux lumineux n’est pas simplement une mesure de l’énergie émise par une source lumineuse. Il est pondéré par la fonction d’efficacité lumineuse photopique V(λ), qui décrit la sensibilité moyenne de l’œil humain aux différentes longueurs d’onde sous des conditions bien éclairées (photopiques). L’œil est le plus sensible à la lumière verte à 555 nm et beaucoup moins au rouge et au violet. Ainsi, deux sources lumineuses ayant la même puissance rayonnante mais des compositions spectrales différentes peuvent émettre des flux lumineux très différents.

Par exemple, une lampe n’émettant que dans l’infrarouge ou l’ultraviolet peut avoir un flux radiant important (watts) mais un flux lumineux nul (lumens), puisque ces longueurs d’onde sont invisibles pour l’homme.

Le flux lumineux est additif, permettant la mesure de systèmes d’éclairage complexes. Il est essentiel au calcul de l’éclairement (lux), qui quantifie la quantité de flux lumineux tombant sur une surface donnée — critique pour l’éclairage des espaces de travail, des routes et de l’aviation.

Structure du SI et définition formelle

Dans le système SI :

• Candela (cd) : Unité de base de l’intensité lumineuse.
• Stéradian (sr) : Unité SI de l’angle solide.
• Lumen (lm) : Unité dérivée ; 1 lm = 1 cd × 1 sr.

La brochure SI 2018 précise :

« Le lumen, symbole lm, est l’unité SI du flux lumineux. Il est défini en prenant la valeur numérique fixe de la candela égale à 1, multipliée par la valeur numérique fixe du stéradian égale à 1, de sorte que 1 lm = 1 cd × 1 sr. »

Pour une source ponctuelle isotrope (émission égale dans toutes les directions), l’angle solide total est de 4π sr, donc :

[ \Phi_v = I_v \times 4\pi ]

où (I_v) est l’intensité lumineuse en candelas.

Comment les lumens sont-ils mesurés ?

La mesure précise du flux lumineux nécessite non seulement de collecter toute la lumière émise par une source, mais aussi d’appliquer la pondération spectrale appropriée. L’instrument de laboratoire principal pour cela est la sphère d’intégration (sphère d’Ulbricht) :

1. Placement de la source : La lampe ou LED est placée au centre de la sphère.
2. Réflexion diffuse : La surface interne diffuse la lumière uniformément.
3. Correction spectrale : Un photodétecteur mesure le signal intégré, ensuite pondéré par la fonction V(λ) pour correspondre à la sensibilité de l’œil humain.
4. Étalonnage : Le système est étalonné avec une lampe de référence de flux lumineux connu.
5. Calcul : Le signal mesuré est converti en lumens.

D’autres outils comprennent les spectroradiomètres (pour la mesure selon la longueur d’onde) et les photomètres (pour l’intensité et l’éclairement). Un luxmètre mesure l’éclairement (lux), qui est le flux lumineux par unité de surface et peut être utilisé pour estimer les lumens si la surface est connue.

Relation photométrique et radiométrique

La relation photométrique de base :

[ \Phi_v \ (\mathrm{lm}) = I_v \ (\mathrm{cd}) \times \Omega \ (\mathrm{sr}) ] Pour une source isotrope : [ \Phi_v = I_v \times 4\pi ]

Conversion du flux radiant (watts) en flux lumineux (lumens) :

[ \Phi_v = K_m \int_{380,\mathrm{nm}}^{780,\mathrm{nm}} \Phi_{e,\lambda} \cdot V(\lambda) , d\lambda ]

Où :

• (K_m = 683 \ \mathrm{lm/W}) à 555 nm.
• (\Phi_{e,\lambda}) est le flux radiant spectral (W/nm).
• (V(\lambda)) est la fonction d’efficacité lumineuse photopique.

Pour une lumière monochromatique à 555 nm :

[ 1\ \mathrm{W} = 683\ \mathrm{lm} ]

Exemples pratiques

Exemple :
Une source ponctuelle uniforme émet 2 candelas dans toutes les directions : [ \Phi_v = 2,\mathrm{cd} \times 4\pi,\mathrm{sr} \approx 25,13,\mathrm{lm} ]

Un pointeur laser vert émet 5 mW à 532 nm (V(λ) ≈ 0,828) : [ \Phi_v = 0,828 \times 0,005,\mathrm{W} \times 683,\mathrm{lm/W} \approx 2,83,\mathrm{lm} ]

Relations avec d’autres grandeurs

Lumen vs. Candela, Lux et Watt

• Lumen (lm) : Quantité totale de lumière visible émise, toutes directions.
• Candela (cd) : Intensité lumineuse dans une direction spécifique.
• Lux (lx) : Éclairement ; flux par mètre carré sur une surface.
• Watt (W) : Puissance électromagnétique totale (rayonnante), non limitée au spectre visible.

Leurs relations : [ \text{Flux lumineux (lm)} = \text{Intensité lumineuse (cd)} \times \text{Angle solide (sr)} ] [ \text{Éclairement (lx)} = \frac{\text{Flux lumineux (lm)}}{\text{Surface (m}^2)} ] [ \text{lm} = \text{W} \times 683 \times V(\lambda) ]

Sensibilité spectrale et œil humain

La fonction d’efficacité lumineuse photopique V(λ) définit la sensibilité de l’œil, avec un maximum à 555 nm. Toutes les mesures photométriques (lumens, candela, lux) utilisent cette pondération. Ainsi, deux sources de même puissance (en watts) peuvent différer considérablement en perception visuelle.

Applications et cas d’usage

• Ingénierie & architecture de l’éclairage : Les lumens spécifient la luminosité requise pour les bureaux, pistes d’aéroport et espaces publics.
• Étiquetage des produits : Les lampes et LED modernes sont classées en lumens pour faciliter la comparaison.
• Conception & simulation d’éclairage : Les logiciels exploitent les valeurs en lumens pour planifier le placement des luminaires et garantir la conformité.
• Signalisation visuelle : L’aviation, la signalisation et les balises s’appuient sur le flux lumineux pour répondre aux exigences de visibilité.
• Recherche : Les laboratoires utilisent sphères d’intégration et spectroradiomètres pour des mesures précises et le développement de nouvelles sources.

Normes internationales

• CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) : Définitions et protocoles photométriques.
• ISO/CIE 19476 : Méthodes de laboratoire pour la mesure du flux lumineux.
• ANSI/IES LM-79 : Procédures de photométrie LED.
• Brochure SI (BIPM) : Définitions SI officielles.

Instruments courants :

Tous doivent être étalonnés selon des standards internationalement reconnus.

Efficacité lumineuse

L’efficacité lumineuse (lm/W) mesure la capacité d’une source à convertir la puissance en lumière visible. Le maximum théorique est de 683 lm/W à 555 nm ; les sources réelles sont beaucoup moins efficaces, selon la technologie et le spectre.

Résumé :
Le lumen (lm) est l’unité SI du flux lumineux, quantifiant la lumière visible émise par une source telle que perçue par l’œil humain. Il est fondamental pour la technologie de l’éclairage, l’ingénierie, l’étiquetage des produits et la conformité réglementaire, faisant le lien entre l’énergie physique émise et la perception visuelle humaine. Comprendre et mesurer les lumens permet une conception d’éclairage efficace, des économies d’énergie et une meilleure sécurité dans une grande variété d’applications.